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Hardware-Entwurf mit VHDL

Hardware-Entwurf mit VHDL

Hardware-Entwurf mit VHDL Prof. Dr.-Ing. Stefan Wolter Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation Entwicklung von integrierten Schaltungen: Elektrotechnik und Informatik • Stetige Fortentwicklung der Technologie führt zu stetiger Zunahme der Chipkomplexitäten, • „Time to market“-Druck erfordert ständige Verkürzung der Entwicklungszeiten. Maßnahmen, um den steigenden Anforderungen beim Chip-Design gerecht zu werden: • viel mehr Semicustom-Entwürfe (z.B. Gate-Arrays) als Fullcustom-Entwürfe • große Zunahme bei programmierbarer Logik (z.B. FPGAs), • stetig wachsender Automatisierungsgrad bei den Entwurfswerkzeugen, • Einsatz von wiederverwendbaren IP-Cores. Aufgrund der hohen Chipkomplexitäten und der „Time to market“-Problematik erfolgt der Entwurf integrierter Schaltungen fast nur noch in Verbindung mit automatischer Struktur- und Layoutsynthese. Die konsequente Nutzung von Hardwarebeschreibungssprachen (kurz HDL = Hardware Description Language) bietet dabei besondere Vorteile bei der Modellierung, der Simulation und der Struktursynthese. Als HDLs haben sich weltweit die beiden Sprachen Verilog und VHDL etabliert, wobei VHDL in Europa der dominierende Standard ist. HDLs erlauben die Beschreibung eines Systems auf verschiedenen Abstraktionsebenen in verschiedenen Sichten. Daraus ergeben sich zahlreiche Modellierungsmöglichkeiten, um je nach Bedarf entweder Implementierungsdetails zu reduzieren oder hinzuzufügen. Zu den Beschreibungsmöglichkeiten für digitale Systeme sind den HDLs in den neunziger Jahren Möglichkeiten für die Modellierung und Simulation von analogen Systemen hinzugefügt worden. Mit z.B. dem VHDL-AMS Standard (AMS = Analog Mixed Signal) ist so die Modellierung eines analogen/digitalen Systems in einer einzigen Sprache möglich. Im folgenden beschränken wir uns auf den „digitalen“ Anteil von VHDL. EINLEITUNG 1

Hardware-Entwurf mit VHDL Prof. Dr.-Ing. Stefan Wolter Elektrotechnik und Informatik 1.2 Entwurfsrepräsentationen Die folgende Tabelle stellt die möglichen Entwurfsrepräsentationen von digitalen Schaltungen und Systemen dar. Im folgenden beschäftigen wir uns nur mit den markierten Feldern. Ebene Sicht System Leistungsdaten (Spezifikation) Tabelle 1.1: Entwurfsrepräsentationen • Verhaltenssicht: Beschreibung des Ein-/Ausgangsverhaltens. • Struktursicht: Menge von miteinander verbundenen Komponenten (Komponenten müssen erst definiert und dann instantiiert werden) mit meist hierarchischem Aufbau. • Geometriesicht: Beschreibung geometrischer Objekte (Layout). • Systemebene: - Beschreibung der Funktionalität eines Systems, - Blockbeschreibung mit Prozessoren, Speichern, I/O-Einheiten, etc., Blöcke werden durch ihre Funktionalität charakterisiert (z.B. im Falle eines Prozessors durch dessen Befehlssatz), - keine Detailbeschreibungen, keine Beschreibung des zeitlichen Ablaufs. • Algorithmische Ebene: Verhalten Struktur Geometrie Algorithmus Ein-/Ausgangs-Verhalten durch sequentielle/ parallele Algorithmen Register- Transfer (Architektur) Daten- und Steuerfluß zwischen Registern, Zustandsgraphen Logik (Gatter) Boolesche Gleichungen, Wahrheitstabellen allg. Prozessoren, komplexe Speichersysteme, busartige Verbindungen Funktionsblöcke (RAM, ROM, Mikroprozessoren, Schnittstellen, etc.) ALU, Multiplexer, Zähler, Register, etc. - Beschreibung des Ein-/Ausgangsverhaltens durch Algorithmen, globale Partitionierung in Subsysteme, Boards, Chips, etc. Flächenplan (Floorplan) Layout komplexer Zellen (Makrozellen, Standardzellen-Blöcke, etc.) Gatter, Flipflops Layout von Basiszellen, Leitungen, Kontakte, etc. Schalter Diskrete Gleichungen Transistoren als Schalter Layout von Transistoren Elektrische Ebene Differentialgleichungen Transistoren, R, C, Stromquellen, etc. Polygone, Masken - in Verhaltenssicht: Beschreibung durch parallel oder sequentiell ablaufende Algorithmen, - typische Beschreibungselemente sind Prozesse, Kontrollstrukturen und Unterprogramme, - in Struktursicht: Blockbeschreibung mit Blöcken, die über Signale miteinander kommunizieren (ohne Takt- und Rücksetzsignale). EINLEITUNG 2

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